条件反射形成的机制还不完全清楚。曾经推想过，条件反射的建立是大脑皮层的条件刺激兴奋灶与非条件刺激兴奋灶在多次结合后，两个兴奋灶之间形成了暂时联系。但这一推想得不到实验的证明。目前认为，条件反射的建立与中枢许多部位都有关系，其中脑干网状结构和大脑皮层起着重要的作用。

条件反射的情境涉及四个事项，两个属于刺激，两个属于机体的反应。一个是中性刺激，它在条件反射形成之前，并不引起预期的、需要学习的反应。